L?E?D?散?熱?途?徑?分?析?與?改?善?趨?勢

　　圖一為L(cháng)ED結面溫度與發(fā)光效率之關(guān)系圖，當結面溫度由25℃上升至100℃時(shí)，其發(fā)光效率將會(huì )衰退20%到75%不等，其中又以**光衰退75%最為嚴重。此外，當LED的操作環(huán)境溫度愈高，其產(chǎn)壽命亦愈低(如圖二所示)，當操作溫度由63℃升到74℃時(shí)，LED平均壽命將會(huì )減少3/4。因此，要提升LED的發(fā)光效率，LED系統的熱散管理與設計便成為了一重要課題，在了解LED散熱問(wèn)題之前，必須先了解其散熱途徑，進(jìn)而針對散熱瓶頸進(jìn)行改善。

　　散熱途徑

　　依據不同的封裝技術(shù)，其散熱方法亦有所不同，圖三展示了LED各種散熱途徑：
　　1.從空氣中散熱
　　2.熱能直接由電路板導出
　　3.經(jīng)由金線(xiàn)將熱能導出
　　4.若為共晶及Flip chip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統電路板而導出

　　一般而言，LED晶粒(Die)以打金線(xiàn)、共晶或覆晶方式連結于其基板上(Substrate of LED Die)而形成一個(gè)LED晶片(chip)，而后再將LED晶片固定于系統的電路板上(System circuit board)。因此，LED可能的散熱途徑為直接從空氣中散熱(如圖三途徑1所示)，或經(jīng)由LED晶?；逯料到y電路板再到大氣環(huán)境。而散熱由系統電路板至大氣環(huán)境的速率取決于整個(gè)發(fā)光燈具或系統之設計。

　　然而，現階段的整個(gè)系統之散熱瓶頸，多數發(fā)生在將熱量從LED晶粒傳導至其基板再到系統電路板為主。此部分的可能散熱途徑：其一為直接藉由晶?；迳嶂料到y電路板(如圖三途徑2所示)，在此散熱途徑里，其LED晶?；宀牧系臒嵘⒛芰礊橄喈斨匾膮?。另一方面，LED所產(chǎn)生的熱亦會(huì )經(jīng)由電極金屬導線(xiàn)而至系統電路板，一般而言，利用金線(xiàn)方式做電極接合下，散熱受金屬線(xiàn)本身較細長(cháng)之幾何形狀而受限(如圖三途徑3所示);因此，近來(lái)即有共晶(Eutectic)或覆晶(Flipchip)接合方式，此設計大幅減少導線(xiàn)長(cháng)度，并大幅增加導線(xiàn)截面積，如此一來(lái)，藉由LED電極導線(xiàn)至系統電路板之散熱效率將有效提升(如圖三途徑4所示)。

　　經(jīng)由以上散熱途徑解釋?zhuān)傻弥峄宀牧系倪x擇與其LED晶粒的封裝方式于LED熱散管理上占了極重要的一環(huán)，后段將針對LED散熱基板做概略說(shuō)明。

　　LED散熱基板

　　LED散熱基板主要是利用其散熱基板材料本身具有較佳的熱傳導性，將熱源從LED晶粒導出。因此，我們從LED散熱途徑敘述中，可將LED散熱基板細分兩大類(lèi)別，分別為L(cháng)ED晶?；迮c系統電路板，此兩種不同的散熱基板分別乘載著(zhù)LED晶粒與LED晶片將LED晶粒發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱能，經(jīng)由LED晶粒散熱基板至系統電路板，而后由大氣環(huán)境吸收，以達到熱散之效果。

　　系統電路板

　　系統電路板主要是作為L(cháng)ED散熱系統中，最后將熱能導至散熱鰭片、外殼或大氣中的材料。近年來(lái)印刷電路板(PCB)的生產(chǎn)技術(shù)已非常純熟，早期LED產(chǎn)品的系統電路板多以PCB為主，但隨著(zhù)高功率LED的需求增加，PCB之材料散熱能力有限，使其無(wú)法應用于其高功率產(chǎn)品，為了改善高功率LED散熱問(wèn)題，近期已發(fā)展出高熱導系數鋁基板(MCPCB)，利用金屬材料散熱特性較佳的特色，已達到高功率產(chǎn)品散熱的目的。然而隨著(zhù)LED亮度與效能要求的持續發(fā)展，盡管系統電路板能將LED晶片所產(chǎn)生的熱有效的散熱到大氣環(huán)境，但是LED晶粒所產(chǎn)生的熱能卻無(wú)法有效的從晶粒傳導至系統電路板，異言之，當LED功率往更高效提升時(shí)，整個(gè)LED的散熱瓶頸將出現在LED晶粒散熱基板，下段文章將針對LED晶?；遄龈钊氲奶接?。

　　晶?；?/strong>

　　LED晶?；逯饕亲鳛長(cháng)ED晶粒與系統電路板之間熱能導出的媒介，藉由打線(xiàn)、共晶或覆晶的制程與LED晶粒結合。而基于散熱考量，目前市面上LED晶?；逯饕蕴沾苫鍨橹?，以線(xiàn)路備制方法不同約略可區分為：厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三種，在傳統高功率LED元件，多以厚膜或低溫共燒陶瓷基板作為晶粒散熱基板，再以打金線(xiàn)方式將LED晶粒與陶瓷基板結合。如前言所述，此金線(xiàn)連結限制了熱量沿電極接點(diǎn)散失之效能。因此，近年來(lái)，國內外大廠(chǎng)無(wú)不朝向解決此問(wèn)題而努力。其解決方式有二，其一為尋找高散熱系數之基板材料，以取代氧化鋁，包含了矽基板、碳化矽基板、陽(yáng)極化鋁基板或氮化鋁基板，其中矽及碳化矽基板之材料半導體特性，使其現階段遇到較嚴苛的考驗，而陽(yáng)極化鋁基板則因其陽(yáng)極化氧化層強度不足而容易因碎裂導致導通，使其在實(shí)際應用上受限，因而，現階段較成熟且普通接受度較高的即為以氮化鋁作為散熱基板;然而，目前受限于氮化鋁基板不適用傳統厚膜制程(材料在銀膠印刷后須經(jīng)850℃大氣熱處理，使其出現材料信賴(lài)性問(wèn)題)，因此，氮化鋁基板線(xiàn)路需以薄膜制程備制。以薄膜制程備制之氮化鋁基板大幅加速了熱量從LED晶粒經(jīng)由基板材料至系統電路板的效能，因此大幅降低熱量由LED晶粒經(jīng)由金屬線(xiàn)至系統電路板的負擔，進(jìn)而達到高熱散的效果。

　　另一種熱散的解決方案為將LED晶粒與其基板以共晶或覆晶的方式連結，如此一來(lái)，大幅增加經(jīng)由電極導線(xiàn)至系統電路板之散熱效率。然而此制程對于基板的布線(xiàn)精確度與基板線(xiàn)路表面平整度要求極高，這使得厚膜及低溫共燒陶瓷基板的精準度受制程網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題及燒結收縮比例問(wèn)題而不敷使用?，F階段多以導入薄膜陶瓷基板，以解決此問(wèn)題。薄膜陶瓷基板以黃光微影方式備制電路，輔以電鍍或化學(xué)鍍方式增加線(xiàn)路厚度，使得其產(chǎn)品具有高線(xiàn)路精準度與高平整度的特性。共晶/覆晶制程輔以薄膜陶瓷散熱基板勢必將大幅提升LED的發(fā)光功率與產(chǎn)品壽命。

　　近年來(lái)，由于鋁基板的開(kāi)發(fā)，使得系統電路板的散熱問(wèn)題逐漸獲得改善，甚而逐漸往可撓曲之軟式電路板開(kāi)發(fā)。另一方面，LED晶?；逡嘀鸩匠蚪档推錈嶙璺较蚺?，下表一即為目前臺灣常見(jiàn)的系統電路板以及LED晶?；宸N類(lèi)與主要供應商：

　　LED陶瓷散熱基板介紹

　　如何降低LED晶粒陶瓷散熱基板的熱阻為目前提升LED發(fā)光效率最主要的課題之一，若依其線(xiàn)路制作方法可區分為厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三種，分別說(shuō)明如下：

　　厚膜陶瓷基板

　　厚膜陶瓷基板乃采用網(wǎng)印技術(shù)生產(chǎn)，藉由刮刀將材料印制于基板上，經(jīng)過(guò)干燥、燒結、雷射等步驟而成，目前臺灣厚膜陶瓷基板主要制造商為禾伸堂、九豪等公司。一般而言，網(wǎng)印方式制作的線(xiàn)路因為網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題，容易產(chǎn)生線(xiàn)路粗糙、對位不精準的現象。因此，對于未來(lái)尺寸要求越來(lái)越小，線(xiàn)路越來(lái)越精細的高功率LED產(chǎn)品，亦或是要求對位準確的共晶或覆晶制程生產(chǎn)的LED產(chǎn)品而言，厚膜陶瓷基板的精確度已逐漸不敷使用。

　　低溫共燒多層陶瓷

　　低溫共燒多層陶瓷技術(shù)，以陶瓷作為基板材料，將線(xiàn)路利用網(wǎng)印方式印刷于基板上，再整合多層的陶瓷基板，最后透過(guò)低溫燒結而成，而其臺灣主要制造商有璟德電子、鋐鑫等公司。而低溫共燒多層陶瓷基板之金屬線(xiàn)路層亦是利用網(wǎng)印制程制成，同樣有可能因張網(wǎng)問(wèn)題造成對位誤差，此外，多層陶瓷疊壓燒結后，還會(huì )考量其收縮比例的問(wèn)題。因此，若將低溫共燒多層陶瓷使用于要求線(xiàn)路對位精準的共晶/覆晶LED產(chǎn)品，將更顯嚴苛。

　　薄膜陶瓷基板

　　為了改善厚膜制程張網(wǎng)問(wèn)題，以及多層疊壓燒結后收縮比例問(wèn)題，近來(lái)發(fā)展出薄膜陶瓷基板作為L(cháng)ED晶粒的散熱基板。薄膜散熱基板乃運用濺鍍、電/電化學(xué)沉積、以及黃光微影制程制作而成，具備：

　　(1)低溫制程(300℃以下)，避免了高溫材料破壞或尺寸變異的可能性;

　　(2)使用黃光微影制程，讓基板上的線(xiàn)路更加精確;

　　(3)金屬線(xiàn)路不易脫落…等特點(diǎn)，因此薄膜陶瓷基板適用于高功率、小尺寸、高亮度的LED，以及要求對位精確性高的共晶/覆晶封裝制程。而目前臺灣主要以璦司柏電子與同欣電等公司，具備了專(zhuān)業(yè)薄膜陶瓷基板生產(chǎn)能力。

　　國際大廠(chǎng)LED產(chǎn)品發(fā)展趨勢

　　目前LED產(chǎn)品發(fā)展的趨勢，可從LED各封裝大廠(chǎng)近期所發(fā)表的LED產(chǎn)品功率和尺寸觀(guān)察得知，高功率、小尺寸的產(chǎn)品為目前LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，且均使用陶瓷散熱基板作為其LED晶粒散熱的途徑。因此，陶瓷散熱基板在高功率，小尺寸的LED產(chǎn)品結構上，已成為相當重要的一環(huán)，以下表二即為國內外主要之LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類(lèi)別作簡(jiǎn)單的匯整。

　　結論

　　要提升LED發(fā)光效率與使用壽命，解決LED產(chǎn)品散熱問(wèn)題即為現階段最重要的課題之一，LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亦是以高功率、高亮度、小尺寸LED產(chǎn)品為其發(fā)展重點(diǎn)，因此，提供具有其高散熱性，精密尺寸的散熱基板，也成為未來(lái)在LED散熱基板發(fā)展的趨勢。

　　現階段以氮化鋁基板取代氧化鋁基板，或是以共晶或覆晶制程取代打金線(xiàn)的晶粒/基板結合方式來(lái)達到提升LED發(fā)光效率為開(kāi)發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢下，對散熱基板本身的線(xiàn)路對位精確度要求極為嚴苛，且需具有高散熱性、小尺寸、金屬線(xiàn)路附著(zhù)性佳等特色，因此，利用黃光微影制作薄膜陶瓷散熱基板，將成為促進(jìn)LED不斷往高功率提升的重要觸媒之一。